压阻应变片式压力传感器详解

(

dL L
)的变化率
d / dL / L
远大于一般电阻材料的灵敏系数，因此，引
起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应：
式中： —压阻系数；E—弹性摸量；σ —应力；
—应变
上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应的。
扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅，单晶硅是各向异性材 料，取向不同其特性不一样，而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶 面的法线方向。
谢谢！
变敏感元件一般由金属丝、金属箔（高电阻系数材料）组成，它把机械应 变转化成电阻的变化。基片和覆盖层起固定和保护敏感元件、传递应变和 电气绝缘作用。 金属箔的厚度通常为0.002～ 0.008mm。应变片厚度小、工 作电流大、寿命长、易批量生 产，在应力测量中应用广泛。 绕线式应变片由一根高电阻系 数的电阻丝排成栅型，电阻为 60 ～120Ω。
3.1压力传感器
扩散型压阻式压力传感器特点：

优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度 高，能测出十几帕德微压，长期稳定性好，之后和蠕变
小，频率响应高，便于生产，成本低。

测量准确度受到非线性和温度的影响，智能压阻式压力
传感器利用微处理器对费线性和温度进行补偿。
3.1压力传感器

压阻式加速度传感器：
电气式压力计
电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍 尔式 根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力 转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。
活塞式压力计
它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性 式压力计。
3.1压力传感器
一.电阻式压力传感器
将压力信号转换成电阻的变化的压力传感器。
有：电阻应变片式压力传感器、压阻式传感器
知：ε2＝ ε4
3.1压力传感器
2.压阻式压力传感器

压阻效应:半导体材料在受力时电阻率发生变化，这一特 性称为压阻
效应。 (硅、锗 / 石英片、压电陶瓷等）。

电阻变化与应变值之间的关系：
式中：灵敏系数
， μ-应变材料的泊松比
L、ρ-分别为电阻丝的长度与电阻率
3.1压力传感器

硅、锗等半导体材料组成的元件受到压缩或拉伸时，其电阻率ρ随应力
3.1压力传感器

电阻应变式压力传感器结构
膜片式、筒式、组合式 膜片式适用于低压测量；筒式适用于高压测量；
3.1压力传感器

工作方式：通过不平衡电桥把电阻的变化转换成电流或电压信号的输
出。
→
慧斯登电桥半桥：
3.1压力传感器

图为膜片式应变片压力传感器，4个电阻全为工作片，全桥 接法：
,ε1＝ ε3 ， 且 ε1＝ ε3 ＝- ε2 ＝ - ε4 ＝ - ε 则：
3.1压力传感器

体形（bulk)半导体电阻应变片

是从单晶硅或锗切下薄片制成，主要优点是灵敏系数大，横 向效应和机械之后极小；温度稳定性和线性度比金属电阻应
变片差的多。
3.1压力传感器

扩散型（diffusion) 压阻式压力传感器
采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半
导体电阻应变膜片
它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在器根 部两面。
3.1压力传感器

测量电路：
恒压源：
输出电压与 R / R 成正比，输出电压受环境温度的影响.
恒流源：
输出电压与 R 成正比，环境温度的变化对其没有影响.
3.1压力传感器
测量桥路及温度补偿
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于制造、温度等影响因素，电桥存在失调、灵位飘移、 灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。
之间的电位差，达到补偿的目的。
3.1压力传感器
②灵敏度温度补偿
灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。 温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。
说明传感器的灵敏度系数为负值。
补偿灵敏度温漂可采用在电源回路中串联二极管的方法。 温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电 压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之， 温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输 出适当减小，同样可达到补偿的目的。
3.1压力传感器
图为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1℃时，
正向压降约减小1.9～2.5mV。将适当数量的二极管串联在 电桥的电源回路中。电源采用
恒压源，当温度升高时，二极
管的正向压降减小，于是电桥 的桥压增加，使其输出增大。 只要计算出所需二极管的个数， 将其串如入电桥电源回路，便
可以达到补偿的目的。

减少与补偿误差措施：
① 恒流源供电电桥；
② 零点温度补偿；
③ 灵敏度温度补偿。
3.1压力传感器

恒流源供电电桥
为了减少温度影响,压阻器件一般采用 恒流源供电.假设两个支路的电阻相等,
即:
R A B C R A D C 2 R RT

故有:
电桥的输出为:
3.1压力传感器
U
0
IR
RP是并联电阻。串联电阻主要起 调零作用；并联电阻主要起补偿 作用。
3.1压力传感器
由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，如当温度升 高时，R2增加比较大，使D点的电位低于B点，B、D两点的 电位差即为零点漂移。 可在R2上串联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP， 用来约束R2的变化。当温度变化时，可减少或消除B、D点
•测压仪表的分类：
液柱式压力计
依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将 被测压力转换为液柱的高度差进行测量 U型管压力计、单管压力计以及斜管压力计 依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性 元件变形的多少反映了被测压力的大小。 弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计
弹性式压力计
测压仪表
利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。
第三章
传感器
能动学院
3.1 压力传感器

定义：垂直作用在单位面积上的力称压力。
压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为 “Pa”。
1P a 1 N / m
2
1
kgm m s
2 2
1k g m s
1

绝对压力PJ、大气压力PD、表压力PB 真空度PZ（负压）
PB= PJ －PD 、
PZ＝ PD－ PJ
电桥的输出电压与电阻变化成正比,与恒流源电流成正
比,但与温度无关,因此测量不受温度的影响.
但是压电器件本身受到温度影响后,要产生零点温度漂 移和灵敏度温度漂移。因此必须采用温度补偿措施。
3.1压力传感器
①零点温度漂移
零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数的 不一致引起的，一般用串、并联
电阻法补偿。其中RS为串联电阻，
3.1压力传感器

工作原理：
膜片两边存在压差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻
在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压 与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr 和切向应力 σt 分布情况确定。
设计时适当安排电子的位置，可以组成差点电桥。
1.电阻应变式压力传感器

电阻的应变效应：导体受机械变形时，其电阻值发生变化，称为
“应变效应” 电阻应变式压力传感器，通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化 来测量压力值的。用于力、扭矩、张力、位移、转角、速度、加速度 和振幅等测量。
3.1压力传感器

应变片结构：由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部分组成。应
3.1压力传感器
3.1压力传感器

优点： 灵敏系数高，k =30～ 175（而电阻丝其值约在 之间)； 机械滞后小、横向效应小及本身体积小。 1.6～ 3.6

缺点：
温度温度性差：半导体材料的电阻温度系数大，且灵敏度系 数随温度的变化也相当大。 灵敏系数的非线性度较大：灵敏系数高，在承受大应变作用 时，引起的电阻变化教大，灵敏度系数失去线性。